DANGER ATTENTION H315: Provoque une irritation cutanée H319: Provoque une sévère irritation des yeux H335: Peut irriter les voies respiratoires

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1 TP Chimie 1 Mesure de transfert thermique I Introduction 1 Présentation Sécurité 3 Données II Mesure de la valeur en eau du calorimètre 1 Principe Mesures 3 Incertitude de la mesure III Mesure d une enthalpie standard de réaction 1 Principe de la mesure Mesures 3 Incertitude de la mesure I Introduction 1 Présentation Les objectifs de ce TP sont : Mettre en œuvre une méthode calorimétrique pour mesurer une enthalpie de réaction ; Mesurer les caractéristiques d un calorimètre ; Évaluer les incertitudes sur les mesures effectuées. Sécurité Matériel et solution à disposition6/11/014 6/11/014 Etiquette pour substances et mélanges Etiquette pour substances et mélanges chimiques (norme CLP / SGH) - scienceamusante.net Lien direct vers l'étiquette Hydroxyde de sodium ( à 5%) : ht Lien direct vers l'étiquette Acide chlorhydrique (10 5%) : Hydroxyde de sodium ( à 5%) Acide chlorhydrique (10 5%) Lessive de soude, NaOH(aq) HCl(aq) 10 % < C < 5 % Matériel à disposition : pipette jaugée 100 ml bécher de 400 ml éprouvette graduée 50 ml Solution à disposition : acide chlorhydrique à 1,00 mol/l soude à 1,00 mol/l DANGER ATTENTION H315: Provoque une irritation cutanée H319: Provoque une sévère irritation des yeux H335: Peut irriter les voies respiratoires P61: Eviter de respirer les gaz/brouillards/vapeurs/aérosols. P80: Porter des gants de protection/des vêtements de protection/un équipement de protection des yeux/du visage P30+P35: EN CAS DE CONTACT AVEC LA PEAU : laver abondamment à l'eau et au savon P305+P351+P338: EN CAS DE CONTACT AVEC LES YEUX : rincer avec précaution à l'eau pendant plusieurs minutes. Enlever les lentilles de contact si la victime en porte et si elles peuvent être facilement enlevées. Continuer à rincer P31: Appeler un CENTRE ANTIPOISON ou un médecin en cas de malaise N CAS : N CE : (10 5%) Création gratuite d'étiquette : H314 (1B): Provoque des brûlures de la peau et des lésions oculaires graves P10: Tenir hors de portée des enfants P60: Ne pas respirer les vapeurs P80: Porter des gants de protection/des vêtements de protection/un équipement de protection des yeux/du visage P305+P351+P338: EN CAS DE CONTACT AVEC LES YEUX : rincer avec précaution à l'eau pendant plusieurs minutes. Enlever les lentilles de contact si la victime en porte et si elles peuvent être facilement enlevées. Continuer à rincer P361: Enlever immédiatement les vêtements contaminés P301+P310: EN CAS D'INGESTION : appeler immédiatement un CENTRE ANTIPOISON ou un médecin P30+P35: EN CAS DE CONTACT AVEC LA PEAU : laver abondamment à l'eau et au savon N CAS : N CE : ( 5%) Création gratuite d'étiquette :

2 /11 Mesure de transfert thermique Pictogrammes Le produit peut exploser au contact d une flamme, d une étincelle, d électricité statique, sous l effet de la chaleur, d un choc ou de frottements. Le produit peut exploser sous l effet de la chaleur (gaz comprimés, gaz liquéfiés et gaz dissous). Il peut causer des brûlures ou blessures liées au froid (gaz liquéfiés réfrigérés). Le produit peut s enflammer au contact d une flamme, d une étincelle, d électricité statique, sous l effet de la chaleur, de frottements, au contact de l air ou au contact de l eau en dégageant des gaz inflammables. Le produit peut provoquer ou aggraver un incendie. Il peut provoquer une explosion en présence de produits inflammables. Le produit ronge. Il peut attaquer (ronger) ou détruire les métaux. Le produit peut provoquer des brûlures de la peau et des lésions aux yeux en cas de contact ou de projection. Le produit peut empoisonner à forte dose. Il peut irriter la peau, les yeux, les voies respiratoires. Il peut provoquer des allergies cutanées. Il peut provoquer somnolence ou vertige. Le produit détruit la couche d ozone. Le produit peut tuer rapidement. Il empoisonne rapidement même à faible dose. Le produit peut provoquer le cancer. Il peut modifier l ADN. Il peut nuire à la fertilité ou au fœtus. Il peut altérer le fonctionnement de certains organes. Il peut être mortel en cas d ingestion et de pénétration dans les voies respiratoires. Il peut provoquer des difficultés respiratoires ou des allergies respiratoires. Le produit pollue. Il provoque des effets néfastes (à court et/ou à long terme) sur les organismes du milieu aquatique. 3 Données Le capacité thermique massique de l eau est : c u = 4,18 JK 1 g 1 Enthalpie standard de formation à 98 K : H + Na + OH Cl H O (l) 0 39,7 kj/mol 9,9 kj/mol 167,4 kj/mol 85,8 kj/mol II Mesure de la valeur en eau du calorimètre 1 Principe La température de la cuve en verre du calorimètre et des accessoires en contact avec les solutions étudiés va changer au cours des expériences. Il faudra tenir compte de la capacité thermique de cet ensemble lors de l écriture des bilans d enthalpie. Pour simplifier l écriture des bilans, on utilisera la valeur en eau μ du calorimètre : il s agit de la masse d eau qui a la même capacité thermique à pression constante que la cuve du calorimètre et des accessoires. Pour mesurer μ, on utilisera la méthode des mélanges :

3 Mesure de transfert thermique 3/11 une masse m 1 d eau à la température ambiante T 1 est placée dans la cuve du calorimètre. une masse m d eau chaude à la température T est placée ensuite dans le calorimètre. À l équilibre, la température de l ensemble est T u. Justifier que la valeur en eau du calorimètre est donnée par la formule : μ = m T T u T u T 1 m 1 On considère le système isolé constitué par la cuve du calorimètre, les accessoires, les deux masses d eau. Le système étant isolé, la variation d enthalpie est : ΔH = 0 Or Donc On en déduit : ΔH = (μ + m 1 )(T u T 1 ) + m (T u T ) (μ + m 1 )(T u T 1 ) + m (T u T ) = 0 μ = m T T u T u T 1 m 1 Décrire un protocole qui permet de mesurer les masses d eau m 1 et m avec le plus de précision possible, sachant que la cuve doit être placée dans le calorimètre lors du mélange. On commence par peser la cuve du calorimètre seule. On notera m 0 la masse de cette cuve. On laisse la cuve sur la balance, on tare la balance. On verse alors l eau froide. La balance indique la masse m 1 de l eau froide. On remet la cuve dans le calorimètre, on réalise le mélange et on mesure la température finale T u. On pèse ensuite la cuve, avec l eau tiède. La masse totale est m u = m 0 + m 1 + m. On en déduit m = m u m 0 m 1 Mesures Les masses d eau m 1 et m devront être mesurées avec précision en utilisant le protocole précédent. Mettre environ 0,15 L d eau à chauffer dans un bécher sur la plaque chauffante. La température de l eau chaude que l on introduira dans le calorimètre sera de 60 C environ. Placer environ 0,10 L d eau à température ambiante dans le calorimètre. La température T 1 de cette eau devra être mesurée avec précision. Placer environ 0,10 L d eau chaude dans le calorimètre. La température T de cette eau devra être mesurée avec précision. On fera un relevé de température toutes les 10 s pendant quatre minutes à partir de l instant où l on réalise le mélange. Tracer la courbe représentant la température en fonction du temps. cuve en verre eau froide eau chaude m 0 m 1 m eau froide eau chaude température finale T 1 T T u

4 4/11 Mesure de transfert thermique θ/ C t/s

5 Mesure de transfert thermique 5/ T t Déduire de vos mesures la valeur en eau du calorimètre. On a mesuré 16,3 g 3 Incertitude de la mesure 1. La balance utilisée permet de faire une mesure avec une erreur maximale a = 1 mg. L incertitude-type sur une mesure de masse est alors Δm = u. Donner la valeur de l incertitude-type Δm 3 1 de la mesure de m 1. Avec la formule proposée Δm 1 = 0,9 mg. Quelle est l incertitude-type Δm sur la mesure de m?

6 6/11 Mesure de transfert thermique On a utilisé la formule : Donc Soit m = m u m 0 m 1 Δm = (Δm u ) + (Δm 0 ) + (Δm 1 ) Δm = 1 mg 3. Estimer de même l incertitude-type ΔT sur les mesures de température. Donc : ΔT = 1 K 3 ΔT = 0,9 K 4. L incertitude-type sur la mesure de la valeur en eau du calorimètre est Δμ est : Après calculs : Δμ = ( μ ) m 1 (Δm 1 ) + ( μ ) (Δm m ) + [( μ ) + ( μ ) + ( μ ) ] (ΔT ) T 1 T T u Δμ = (Δm 1 ) + ( T T u (T ) (Δm T u T ) + m u T 1 ) + (T T u ) + (T u T 1 )(T T u ) 1 (T u T 1 ) 4 (ΔT ) En déduire la valeur de Δμ. Donc : Δμ = 4,4 mg III Mesure d une enthalpie standard de réaction 1 Principe de la mesure On verse dans le calorimètre : une masse m u d acide chlorhydrique (H +,Cl ) à la température ambiante T 0. On notera n la quantité de matière en acide introduite. une masse m u de soude (Na +,OH ) à la température ambiante T 0. La quantité de matière introduite sera identique à celle l acide. On note T u la température du système à l équilibre. On supposera dans la suite que la capacité thermique massique à pression constante de la solution utilisée est identique à celle de l eau et qu elle ne dépend pas de la température. 1. Écrire l équation bilan de la réaction chimique qui va se produire. H + + OH ÝÝ H O. Quelle est l enthalpie standard de réaction Δ u H 0 de cette réaction donnée par les tables thermodynamiques?

7 Mesure de transfert thermique 7/11 Δ u H 0 = 55,9 kj/mol 3. Montrer que l enthalpie standard de réaction est donnée par la formule suivante : Δ u H 0 = m u + m u + μ c n u (T u T 0 ) Le système est isolé donc la variation d enthalpie du système est : ΔH = 0 Or Donc DeltaH = (m u + m u + u u)c u (T u T 0 ) + nδ u H 0 Δ u H 0 = m u + m u + μ c(t n u T 0 ) 4. On souhaite réaliser l expérience avec une quantité de matière n = 0,100 mol. Quels volumes d acide V u et de soude V u faut-il prélever? Quelle verrerie faut-il utiliser pour prélever l acide chlorhydrique et la soude? Il faut prélever un volume V u = 100 ml d acide et un volume V u = 100 ml de soude avec précision. On utilisera une pipette jaugée de 100 ml. 5. Décrire un protocole qui permet de mesurer les masses d acide m u et de soude m u avec le plus de précision possible, sachant que la cuve doit être placée dans le calorimètre lors de l ajout de la soude. On commence par peser la cuve du calorimètre seule. On notera m 0 la masse de cette cuve. On laisse la cuve sur la balance, on tare la balance. On verse alors l acide. La balance indique la masse m u de l acide. On remet la cuve dans le calorimètre, on réalise le mélange et on mesure la température finale T u. On pèse ensuite la cuve, avec l eau salée. La masse totale est m u = m 0 + m u + m u. On en déduit m u = m u m 0 m u. Mesures Les masses d eau m u et m u devront être mesurées avec précision en utilisant le protocole précédent. Mettre le volume V u d acide dans la cuve du calorimètre. La température T 0 de cette solution devra être mesurée avec précision. On fera un relevé de température toutes les 10 s pendant deux minutes avant l ajout de soude. Ajouter la soude avec précaution. On fera un relevé de température toutes les 10 s pendant huit minutes après l ajout de soude.

8 8/11 Mesure de transfert thermique 30 9,5 9 8,5 8 7,5 7 6,5 6 5,5 θ/ C 5 4,5 4 3,5 3,5 1,5 1 0, t/s

9 Mesure de transfert thermique 9/11 9 8,5 8 T u 7,5 7 6,5 6 5,5 T 5 4,5 T u T 0 4 3,5 3,5 T 0 1, t 140 u u t t Le calorimètre est-il parfaitement calorifugé? Comment cela se traduit-il sur le relevé de température? La température décroit avec le temps dans la seconde partie de l expérience. Il y a donc des échanges thermiques entre la solution et l extérieur. La construction graphique ci-dessous permet d estimer la température finale en supposant que la puissance des pertes thermiques pendant la phase de variation de température est la moyenne arithmétique des puissances perdues avant et après la réaction.

10 10/11 Mesure de transfert thermique T u T T u T 0 T 0 t u 1 1 +u tt Estimer la température finale T u à partir du relevé de température. cuve en verre acide soude température initiale température finale m 0 m u m u T 0 T u En déduire une mesure de Δ u H 0. On en déduit Δ u H 0 = 50,6 kj/mol 3 Incertitude de la mesure On se propose de déterminer l incertitude expérimentale des mesures faites par les N groupes de TP de la classe. On notera Δ u Hu 0 la mesure de Δ u H 0 faite par le i e groupe. La valeur moyenne des mesures est alors : L écart-type expérimental est : La valeur de l incertitude-type est donnée par : Δ u H 0 = 1 N s = 1 N 1 u u =1 u u =1 Δ(Δ u H 0 ) = Δ u H 0 u (Δ u H 0 Δ u H 0 u ) Le coefficient k dépend du nombre de mesures N effectuées ainsi que du niveau de confiance. La table ci-dessous donne les valeurs de k en fonction de N pour un intervalle de confiance à 95%. ks N N k 1,71 4,30 3,18,78,57,45,36,31,6,3,0,18,16,14,13,1,11,10,09,09,08,07 1. Quelle est la valeur moyenne des mesure Δ u H 0? Quelle est l incertitude-type Δ(Δ u H 0 ) pour l ensemble des mesures?

11 Mesure de transfert thermique 11/11. Donner alors la valeur numérique de Δ u H 0 sous la forme Δ u H 0 = Δ u H 0 ± Δ(Δ u H 0 ) 3. Les mesures faites sont-elles compatibles avec la valeur de Δ u H 0 déduite des tables thermodynamiques?